托普云农便携式光合作用测定仪(以TP-PM系列为代表,如TP-PM-1、TP-PM-5等)是由浙江托普云农科技股份有限公司研制的科研级气体交换分析系统。该仪器基于红外气体分析原理(Infra-Red Gas Analysis, IRGA),通过构建可控微环境叶室,实时监测气流经活体叶片前后CO₂吸收量与H₂O释放量之差,结合Farquhar气体交换模型与Fick扩散定律解算净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)、胞间CO₂浓度(Ci)及瞬时水分利用率(WUE),实现植物光合—蒸腾生理的原位、非破坏性、多参数同步量化。
一、测量原理与理论基础
红外气体差分检测:利用CO₂与H₂O分子对特定红外波段的特征吸收特性,内置非扩散式或双通道差分红外CO₂/H₂O分析器,分别测定参比室(进气)与样品室(叶室出气)气体浓度微差ΔC(CO₂)与ΔC(H₂O)。
质量平衡与气体交换解算:依据已知叶面积(A)、气体体积流速(u)及理想气体状态方程修正温压影响,由浓度差经质量平衡方程计算碳同化通量与水分蒸腾通量,进而推导气孔导度与胞间CO₂浓度(Ci = Ca − Pn / Gs × ...)。
开放式气路设计:多采用开放式气路使环境大气流经叶室,最大限度模拟叶片原生微气候,减小密闭系统因气体积累或耗竭引入的系统偏差;部分型号具备闭式/半闭式切换功能以适应特殊实验需求。
微环境变量修正:同步采集叶温(Tleaf)、气温(Tair)、相对湿度(RH)及光合有效辐射(PAR),用于气体浓度温压补偿与光合光响应函数拟合。
二、硬件系统构成
红外气体分析单元:集成高精度非扩散式红外CO₂与H₂O传感器,具备参比—样品双通道差分检测能力,内置极值滤波与零点漂移校正算法。
可控光源叶室组件:标配透明视窗叶室,内置可调红蓝光LED阵列(模拟自然光谱并可设定PPFD),支持光响应曲线(A–Q)与CO₂响应曲线(A–Ci)自动测定;叶室面积可按单/双子叶、针叶等材料定制更换,部分型号可选配半导体温控模块稳定叶室温度。
微环境传感器阵列:叶室及进气端集成热电偶温度传感器、薄膜电容湿度传感器及硅光电二极管PAR传感器,同步监测叶温、气温、水汽压及光照强度。
主机控制与交互终端:嵌入式处理器配彩色触控屏(安卓系统),集成微型气泵、电子流量控制器、可充电锂电池及数据存储模块;支持USB导出、蓝牙/Wi-Fi上传至配套云平台,具备实验备注标注、时序自动采集及断电数据保护功能。
三、核心功能
1、全新外观:光合作用测定仪采用10寸安卓彩色触控屏,自带wifi功能,操作界面清晰简洁,操作简单。软件支持在线升级。软件中文操作界面,支持中英文语言,切换系统语言即可同步成英文模式。
2、检测参数:光合作用测定仪可检测环境温湿度、叶室温湿度、CO2气体浓度、光合有效辐射强度、叶面温度、叶片净光合速率、气孔导度、蒸腾速率、胞间CO2浓度、瞬时水分利用率12项参数。
3、原理升级:主机内置非扩散式红外CO2分析器,能准确测定空气中的CO2浓度;开机默认进行气路循环,开放式气路系统更接近植物真实生长环境。核心红外CO2模块增加CO2极值滤波处理,大大缩短了CO2稳定时长,有效提升各项光合参数的稳定性和实验效率。
4、操作简便:测量设置均默认给出,用户可自定义修改,支持用户填写实验备注(随数据一同导出)。一键测量,各项参数均为自动采集,每2min自动采集一组数据,程序运行完成后会自动结束并保存数据,也可手动结束测量进程,测量过程中查看已采集数据时不会影响测量进程。
5、数据管理:光合作用测定仪支持根据时间范围快速查询数据,可进行查看、上传、导出、删除操作。支持曲线图和表格2种展示形式,按曲线图展示时可双击放大单图查看,便于直观展示数据变化趋势。
6、数据存储/导出:本地存储8G大内存,配置USB接口,支持excel格式文件导出本地/U盘,导出的文件可直接使用无需转换。数据自动保存:若仪器意外关闭,已测量的数据会自动保存不丢失。
7、配备“数智农业云"平台:仪器联网状态下,可手动将测量数据上传到物联网4.0云平台,用户登录账号即可查看,可在云端对实验数据进行管理和分析,支持对比分析各项光合指标,支持图表2种展示形式。
8、设备单机即可使用,含有使用教程视频,手机扫描二维码即可查看仪器安装方式和操作流程等。
9、电池容量大,满电状态下野外支持连续使用8小时以上。
10、配置支架,适用于野外一定时间监测,主机支架高度可调,叶室三脚架高度角度均可调,适用不同生长角度的叶片,避免对叶片拉扯造成破坏,无需实验人员背着仪器,减少人力消耗,扩大使用场景。
四、科研适用场景
植物生理与逆境生物学:干旱、盐碱、高温、重金属等胁迫下光合限制因子分解(气孔限制 vs. 非气孔/叶肉限制,基于Ci判据),光合日变化与季节动态监测。
作物遗传育种与种质筛选:高代品系碳同化能力与水分利用效率的大样本初筛,配合光/CO₂响应曲线量化光合潜能差异。
生态学与全球变化研究:野外原位测定C₃/C₄植物、木本与草本植物气体交换特征,服务于生态系统碳—水通量尺度拓展。
精准栽培与肥效评估:氮素、水分及不同栽培措施对叶片光合能力的调控效应验证。
五、学术价值评述
托普云农便携式光合作用测定系统将植物光合生理研究从传统的破坏性取样、生物量累积推算法推进至活体原位气体交换精密分析层面,通过开放式IRGA气路、多传感器同步采集与国产化算法平台的结合,为植物碳—水耦合机制解析、基因型—环境互作(G×E)分析及抗逆种质评价提供了可重复、标准化的现场测量手段,是衔接叶片微观生理过程与冠层/生态系统尺度碳通量研究的关键基础仪器。
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